[发明专利]一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统及试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油工程深水钻井模拟技术领域，特别是一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统及试验方法。

背景技术

海洋油气资源目前已成为全球能源战略的重要组成部分，深水海域将成为未来油气资源勘探开发的主战场。但深水区域开采环境恶劣，对深海钻井装备提出了更高的要求。在海洋油气资源开采工程当中，隔水管是连接平台和水下井口的关键设备，要承受海洋环境和钻井工况的耦合作用，容易发生磨损、疲劳断裂等事故，国内外已多次因隔水管事故造成重大的经济损失和环境安全问题。隔水管隔离油井与外界海水、支撑各种控制管线、为钻井液的循环提供通道、为钻杆钻井工作从钻台到海底井口装置提供导向。因此隔水管失效会将会导致钻井船、海底装备和油井受到破坏，造成巨大的经济损失，另外钻井液的泄漏和以及石油的泄漏也将造成环境的严重污染。

同时，随着海洋钻井向深水超深水发展、随着隔水管长细比的不断增加柔性特征更加明显，工程实际中施加在隔水管两端顶张力也随之增加，加之隔水管对其自身振动的动力响应使得隔水管上下边界所受轴向力出现周期性的变化，因此隔水管轴向受力的特点对隔水管的轴向强度提出更高的要求；在垂直于海平面的方向上隔水管的巨大跨度使得在风浪流联合作用下隔水管的横向变形大大增加，而随着隔水管横向形变的增加在实际钻井过程中不可避免的将造成隔水管与其内部钻杆的碰撞磨损，这些特点要求对隔水管在其轴线方向各个位置的横向形变量、隔水管与钻柱碰撞磨损位置有精确认识，同时这也对隔水管的切向强度提出更大要求；此外，由于海流、波浪、风载荷等隔水管的涡激振动更加成为其疲劳破坏的重要原因。海水流经隔水管时会在管体两侧形成交替脱落的漩涡从而诱发隔水管的周期性振动，而隔水管的振动又会扰乱流产涡的脱落，当漩涡的脱落频率与隔水管的固有频率接近时便会发生锁定现象，隔水管结构发生大幅共振，加速隔水管的疲劳破坏。

目前，对于隔水管或者海洋立管的研究大致分为三大类别：试验方法、数值方法、半经验公式。其中，对于试验方法而言，隔水管的轴向受力变化情况，横向载荷、受力变化情况以及横向位移、应变的实时变化情况是一个复杂多变的变化过程；此外泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相互作用的复杂过程，对于石油工程深海钻井更为突出的是：除风、浪、流等海洋工况外，隔水管内部环空部分钻井液循环、钻柱旋转与隔水管的碰撞摩擦等钻井工况对于隔水管的力学行为同样具有很大的影响。因此，要真实试验研究实际生产过程当中隔水管的力学性能就需要具有一套完整物理试验方案和精密的试验仪器可以把所有相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理试验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据，因此全面真实的模拟隔水管工况是试验可信度的前提，对于隔水管和周围流场的瞬时变化进行实时监测是试验成功的关键。

目前，国内外对隔水管失效的研究更多的是着眼于隔水管的涡激振动而忽略了深海钻井过程是一个周期较短的工程，疲劳破坏确实会对隔水管的寿命造成损伤，然而相较于风浪流等载荷的突变而造成的失效，隔水管涡激振动而引发的疲劳破坏已然处在次要地位。即便是对于涡激振动而言，国内外对隔水管失效的研究进行了不同海洋工况、不同长细比、不同材料的隔水管涡激振动试验。其中，国内外大多数学者所进行的隔水管或立管涡激振动试验主要将试验重点集中在来流类型以及长细比的改变和雷诺数的跨度上。如：2005年，Chaplin开展了阶梯流情况下的柔性立管涡激振动试验。2006年，Trim等在Marintek海洋拖拽水池进行试验，获得了不同水流条件、高模态响应情况下高质量的数据，2009年，大连理工的张建侨在大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室的非线性波浪水槽中开展了细长柔性立管涡激振动试验等。但是，对于海洋钻井过程中大长细比隔水管的涡激振动特性的复杂工况研究较为缺乏，2008年，郭海燕在原有试验基础上优化试验设计考虑了不同张紧力、内流流速和质量比等因素对立管涡激振动响应的影响；2011年，郭海燕又在中国海洋大学的“风-浪-流”联合水槽中进行立管在不同内流、外流和顶张力作用下涡激振动响应试验。上述几个考虑立管内流的试验虽然对于隔水管钻井工况的模拟有进一步提升却依然不能较为全面的模拟真实海洋钻井过程中隔水管的实际工况，对于隔水管力学行为的研究依旧不够全面。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够全面准确的模拟隔水管在深海钻井工况下力学行为的基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统。